DE102016211967B3

DE102016211967B3 - Elektronisches Bauteil und Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauteils

Info

Publication number: DE102016211967B3
Application number: DE102016211967.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Müller
Original assignee: Schweizer Electronic AG
Current assignee: Schweizer Electronic AG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: US20180007779A1; CN107567176B; US10212802B2; CN107567176A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil mit einer Leiterplatte (14) und mit einem auf einer ersten Oberfläche (15) der Leiterplatte (14) angeordneten elektronischen Bauelement (16). Die Leiterplatte (14) weist eine Ausnehmung (23) auf, die sich von einer der ersten Oberfläche (14) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) in Richtung des elektronischen Bauelements (16) erstreckt. Das elektronische Bauteil umfasst einen Kühlmittelbehälter (25), der eine Öffnung aufweist, die durch die zweite Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) verschlossen ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines solchen elektronischen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, bei dem auf einer ersten Oberfläche einer Leiterplatte ein elektronisches Bauelement angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines solchen elektronischen Bauteils.
Im Betrieb solcher elektronischer Bauteile entsteht Wärme. Dies gilt insbesondere, wenn das Bauelement mit hoher Leistung betrieben wird, wie es beispielsweise bei einem Leistungshalbleiter der Fall ist. Bekannt sind Leiterplatten, in deren Innerem sich Kühlkanäle erstrecken, die im Betrieb der Leiterplatte mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, DE 10 2004 062 441 B3 , DE 20 2010 017 772 U1 . Die Herstellung solcher Kühlkanäle im Inneren der Leiterplatte ist aufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Leiterplatte vorzustellen, bei denen der Aufwand vermindert ist.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 13.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der Erfindung wird ein elektronisches Bauteil vorgeschlagen, das eine Leiterplatte und ein auf einer ersten Oberfläche der Leiterplatte angeordnetes elektronisches Bauelement umfasst. Die Leiterplatte hat eine Ausnehmung, die sich von einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Leiterplatte in Richtung des elektronischen Bauelements erstreckt. Das elektronische Bauteil umfasst außerdem einen Kühlmittelbehälter. Der Kühlmittelbehälter hat eine Öffnung, die durch die zweite Oberfläche der Leiterplatte verschlossen ist.
Das Bauelement kann ein aktives oder passives elektronisches Bauelement sein. Insbesondere kann es sich um ein Halbleiter-Bauelement handeln, beispielsweise in Form eines Leistungshalbleiters. Als passives elektronisches Bauelement kommt beispielsweise ein Shunt in Betracht.
Indem der Kühlmittelbehälter eine in Richtung der Leiterplatte ausgerichtete Öffnung aufweist, kann eine in dem Kühlmittelbehälter enthaltene Kühlflüssigkeit in direkten Kontakt mit der Leiterplatte treten und dadurch wirksam Wärme von der Leiterplatte abführen. Im Bereich der Ausnehmung ist die Materialstärke der Leiterplatte vermindert, so dass von dem elektronischen Bauelement abgegebene Wärme gut in die Kühlflüssigkeit übergeleitet werden kann, ohne dass die Wärme sich großflächig in der Leiterplatte verteilt.
Um einen guten Wärmeübergang von dem elektronischen Bauelement zu der Kühlflüssigkeit zu gewährleisten, kann die Materialstärke im Bereich der Ausnehmung wesentlich kleiner sein als die Dicke der Leiterplatte. Beispielsweise kann die Materialstärke kleiner sein als 50 %, vorzugsweise kleiner als 30 %, weiter vorzugsweise kleiner als 20 % der Dicke der Leiterplatte.
Die Ausnehmung kann Seitenflächen aufweisen, die senkrecht zur Ebene der Leiterplatte ausgerichtet sind. Die Seitenflächen können sich bis zu einer Endfläche erstrecken, die parallel zur Ebene der Leiterplatte ist. Durch die Endfläche werden die beiden Seiten der Leiterplatte voneinander getrennt. Die Ausnehmung bildet keine Durchbrechung der Leiterplatte. In einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung quaderförmig. Umfasst sind auch Ausführungsformen, bei denen die Seitenflächen der Ausnehmung einen von 90° verschiedenen Winkel mit der Ebene der Leiterplatte einschließen.
Die Ausnehmung kann so bemessen sein, dass sie das elektronische Bauelement in Z-Richtung überdeckt. Die Z-Richtung ist senkrecht zur Ebene der Leiterplatte ausgerichtet. Ist mit anderen Worten die Ausnehmung mindestens so groß wie oder größer als das elektronische Bauelement, so ist eine wirksame Wärmeübertragung von dem elektronischen Bauelement in Richtung der Kühlflüssigkeit möglich.
Die Öffnung des Kühlmittelbehälters kann größer sein als die Ausnehmung in der Leiterplatte. Die Öffnung kann beispielsweise um den Faktor 2, vorzugsweise um den Faktor 5, weiter vorzugsweise um den Faktor 10 größer sein als die Ausnehmung. Der Kühlmittelbehälter kann so angeordnet sein, dass die Ausnehmung vollständig innerhalb der Öffnung liegt. Die Ausdehnung des Kühlmittelbehälters in Z-Richtung kann größer sein als die Ausdehnung der Ausnehmung in Z-Richtung. Beispielsweise kann der Kühlmittelbehälter bezogen auf die Z-Richtung um den Faktor 1, 2, vorzugsweise um den Faktor 2, weiter vorzugsweise um den Faktor 3 größer sein als die Ausnehmung.
Eine die Öffnung umgebende Stirnfläche des Kühlmittelbehälters kann mit der zweiten Oberfläche der Leiterplatte verbunden sein. Zwischen der Stirnfläche des Kühlmittelbehälters und der Oberfläche der Leiterplatte kann ein Dichtmittel angeordnet sein, so dass ein Austritt des Kühlmittels an der Verbindungsstelle verhindert wird. Für die mechanische Befestigung des Kühlmittelbehälters an der Leiterplatte kann beispielsweise eine Schraubverbindung vorgesehen sein.
Der Kühlmittelbehälter kann eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisen, sodass ein Kühlmittelstrom durch den Kühlmittelbehälter erzeugt werden kann. Der Kühlmittelbehälter kann an ein Kühlsystem angeschlossen sein, das einen Wärmetauscher umfasst. Zwischen der Auslassöffnung des Kühlmittelbehälters und dem Wärmetauscher sowie zwischen dem Wärmetauscher und der Einlassöffnung des Kühlmittelbehälter können sich Rohrleitungen erstrecken, sodass ein Kühlmittelkreislauf in Gang gesetzt werden kann.
Die erste Oberfläche der Leiterplatte kann zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitenden Schicht belegt sein. Das elektronische Bauelement kann elektrisch mit der leitenden Schicht kontaktiert sein.
Zwischen der Ausnehmung und dem elektronischen Bauelement kann eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein. Damit wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem elektronischen Bauelement verhindert. Um einen guten Wärmefluss zwischen dem elektronischen Bauelement und der Kühlflüssigkeit zu erreichen, kann die elektrisch isolierende Schicht eine gute Wärmeleitfähigkeit haben.
Von der Erfindung umfasst sind auch Ausführungsformen, bei denen es einen elektrischen Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem elektronischen Bauelement gibt. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Anschlusskontakt des elektronischen Bauelements, der mit dem Kühlmittel elektrisch in Kontakt steht, auf Masse gelegt ist.
Ein innerhalb der Öffnung des Kühlmittelbehälters angeordneter Oberflächenbereich der Leiterplatte kann in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen. Der Oberflächenbereich kann insbesondere die an die Ausnehmung angrenzenden Flächen der Leiterplatte umfassen. Dieser Oberflächenbereich kann gegenüber dem elektronischen Bauelement elektrisch isoliert sein.
Das elektrisch isolierende Material, das bei Leiterplatten verwendet wird, hat häufig keine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Flüssigkeiten. Um das elektrisch isolierende Material vor der Kühlflüssigkeit zu schützen, kann der mit dem Kühlmittel in Kontakt stehende Oberflächenbereich der Leiterplatte mit einer diffusionsdichten Schutzschicht überzogen sein. Bei der Schutzschicht kann es sich um eine korrosionsbeständige metallische Beschichtung handeln, insbesondere um eine Beschichtung aus Cu, Ni oder Au oder eine Schichtfolge aus diesen Materialien. Damit kann die Leiterplatte auch aggressiven Kühlmitteln standhalten, wie beispielsweise Glykol oder einer wässrigen Glykollösung. Der zwischen dem Kühlmittelbehälter und der Leiterplatte eingeschlossene Raum kann vollständig mit dem Kühlmittel ausgefüllt sein.
Bei der Leiterplatte kann es sich um eine mehrschichtige Leiterplatte handeln. Dies bedeutet, dass die Leiterplatte Bereiche umfasst, in der in Z-Richtung eine Mehrzahl von leitenden Schichten und nicht-leitenden Schichten abwechselnd aufeinanderfolgen. Zwischen den leitenden Schichten kann es Durchkontaktierungen geben, so dass es in Z-Richtung elektrische Verbindungen zwischen leitenden Schichten gibt.
Jede der elektrisch leitenden Schichten kann gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert sein. Insbesondere kann eine auf die zweite Oberfläche der Leiterplatte aufgebrachte Schutzschicht elektrisch isoliert gegenüber den elektrisch leitenden Schichten sein.
Möglich ist auch, dass zwischen den Schichten Thermal Vias ausgebildet sind. Thermal Via bezeichnet einen metallischen Kontakt zwischen zwei leitenden Schichten, der in der betreffenden Anwendung nicht zum Übertragen von elektrischen Strömen verwendet wird, sondern dazu dient, den thermischen Übergangswiderstand zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Kühlmittel zu vermindern.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauteils. Bei dem Verfahren wird eine Ausnehmung in einer Leiterplatte erzeugt, die sich von einer zweiten Oberfläche in Richtung einer der zweiten Oberfläche gegenüberliegenden ersten Oberfläche erstreckt, ohne die Leiterplatte zu durchbrechen. Ein Kühlmittelbehälter, der eine Öffnung aufweist, wird so mit der zweiten Oberfläche der Leiterplatte verbunden, dass die Öffnung durch die Leiterplatte verschlossen ist. Eine Kühlflüssigkeit wird in den Kühlmittelbehälter eingefüllt.
In einem der Ausnehmung gegenüberliegenden Bereich der ersten Oberfläche kann ein zu kühlendes elektronisches Bauelement mit der Leiterplatte verbunden werden. Das zu kühlende elektronische Bauelement kann beispielsweise ein aktives Bauelement oder passives Bauelement sein.
Werden beim Erzeugen der Ausnehmung elektrisch leitende Schichten der Leiterplatte geschnitten, so kann eine elektrisch isolierende Schicht innerhalb der Ausnehmung aufgebracht werden, durch die die Oberfläche der Ausnehmung gegenüber den elektrisch leitenden Schichten elektrisch isoliert wird. Auf die zweite Oberfläche der Leiterplatte kann eine diffusionsdichte Schutzschicht aufgebracht werden, die wenigstens den Oberflächenbereich der Leiterplatte bedeckt, der mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt.
Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils beschrieben sind. Das elektronische Bauteil kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
1: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils.
Ein in 1 gezeigtes elektronisches Bauteil umfasst eine Leiterplatte 14, auf deren Oberseite 15 (erste Oberfläche) ein Halbleiter-Bauelement 16 angeordnet ist. Das Halbleiter-Bauelement 16 ist ein Leistungshalbleiter in Form eines MOSFET, bei dessen Betrieb eine beträchtliche Menge an Wärme abgegeben wird. Das Halbleiter-Bauelement 16 ist elektrisch kontaktiert mit einer elektrisch leitenden Schicht 17, mit der die Oberseite der Leiterplatte 14 teilweise bedeckt ist.
Die elektrisch leitende Schicht 17 ist aufgebracht auf eine Schicht 18 der Leiterplatte 14, die elektrisch isolierend ist, jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann. Die Leiterplatte 14 ist mehrschichtig aufgebaut, was bedeutet, dass unterhalb der elektrisch isolierenden Schicht 18 weitere elektrisch leitende Schichten 19, 20 im Wechsel mit isolierenden Schichten 21, 22 aufeinanderfolgen. Zwischen den elektrisch leitenden Schichten 17, 19, 20 gibt es Durchkontaktierungen 22, durch die in Z-Richtung ein elektrischer Kontakt zwischen verschiedenen Schichten hergestellt wird.
In der Leiterplatte 14 ist eine im Querschnitt rechteckige Ausnehmung 23 ausgebildet, die sich von der Unterseite 24 (zweite Oberfläche) der Leiterplatte 14 in Richtung des Halbleiter-Bauelements 16 erstreckt. Die Ausnehmung 23 ist so bemessen, dass ihre Ausdehnung in X-Y-Richtung im Wesentlichen dem Halbleiter-Bauelement 16 entspricht. Die Ausnehmung 23 ist so angeordnet, dass sie das Halbleiter-Bauelement 16 in Z-Richtung überdeckt.
Mit der Unterseite 24 der Leiterplatte 14 ist ein Kühlmittelbehälter 25 verbunden, der an seinem oberen Ende offen ist. Über eine Stirnfläche 26 ist der Kühlmittelbehälter 25 mit der Unterseite 24 der Leiterplatte 14 verbunden, so dass ein abgeschlossener Raum gebildet wird, der zwischen dem Kühlmittelbehälter 25 und der Leiterplatte 14 eingeschlossen ist. Die Ausnehmung 23 der Leiterplatte 14 ist Bestandteil dieses abgeschlossenen Raums. Zwischen der Stirnfläche 26 des Kühlmittelbehälters 25 und der Leiterplatte 14 ist ein Dichtmaterial 27 aufgebracht, so dass auch an der Verbindungsstelle kein Kühlmittel austreten kann.
Der Kühlmittelbehälter 25 ist mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung versehen (nicht dargestellt), über die der Kühlmittelbehälter 25 an ein Kühlsystem angeschlossen ist. In dem Kühlsystem wird das Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt, der sich zwischen dem Kühlmittelbehälter 25 und einem Wärmetauscher erstreckt. In dem Wärmetauscher wird Wärme an die Umgebung abgegeben.
Die Unterseite der Leiterplatte 14 ist mit einer Schutzschicht 28 in Form einer Cu-Ni/Cu-Ni-Au-Beschichtung belegt, so dass es keinen Kontakt zwischen dem Kühlmittel und den elektrisch isolierenden Schichten der Leiterplatte gibt. Gegenüber den elektrisch leitenden Schichten 17, 19, 20 ist die Schutzschicht 28 elektrisch isoliert.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung ist das Halbleiter-Bauelement 16 lediglich durch die elektrisch leitende Schicht 17, die dünne isolierende Schicht 18 sowie die Schutzschicht 28 von dem Kühlmittel getrennt. Damit ergibt sich ein geringer thermischer Übergangswiderstand, so dass die Wärme gut von dem Halbleiter-Bauelement zu der Kühlflüssigkeit übertragen werden kann. Mit der Kühlflüssigkeit wird die Wärme in dem Kühlsystems abtransportiert, so dass das Halbleiter-Bauelement 16 wirksam gekühlt wird.

Claims

Elektronisches Bauteil mit einer Leiterplatte (14) und mit einem auf einer ersten Oberfläche (15) der Leiterplatte (14) angeordneten elektronischen Bauelement (16), wobei die Leiterplatte (14) eine Ausnehmung (23) aufweist, die sich von einer der ersten Oberfläche (14) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) in Richtung des elektronischen Bauelements (16) erstreckt, und mit einem Kühlmittelbehälter (25), der eine Öffnung aufweist, die durch die zweite Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) verschlossen ist.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke der Leiterplatte (14) im Bereich der Ausnehmung (16) kleiner als 50 %, vorzugsweise kleiner als 30 %, weiter vorzugsweise kleiner als 20 % als die Dicke der Leiterplatte (14) ist.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) Seitenflächen aufweist, die senkrecht zur Ebene der Leiterplatte (14) ausgerichtet sind.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (23) das elektronische Bauelement (16) in einer zu der Ebene der Leiterplatte (14) senkrechten Richtung überdeckt.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Kühlmittelbehälters (25) größer ist als die Ausnehmung (23) der Leiterplatte (14).
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (23) vollständig innerhalb der Öffnung des Kühlmittelbehälters angeordnet ist.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine zu der Ebene der Leiterplatte (14) senkrechte Richtung die Ausdehnung des Kühlmittelbehälters (25) größer ist als die Ausdehnung der Ausnehmung (23).
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausnehmung (23) und dem elektronischen Bauelement (16) eine elektrisch isolierende Schicht (18) angeordnet ist.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb der Öffnung des Kühlmittelbehälters (25) angeordneter Oberflächenbereich der Leiterplatte (14) elektrisch gegenüber dem elektronischen Bauelement (16) isoliert ist.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmittel in Kontakt stehender Oberflächenbereich der Leiterplatte (14) mit einer diffusionsdichten Schutzschicht (28) belegt ist.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (28) eine Beschichtung aus Cu, Ni oder Au ist oder eine Schichtfolge aus diesen Metallen.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (14) eine Mehrzahl elektrisch leitender Schichten (17, 19, 20) umfasst, die elektrisch miteinander verbunden sind, und dass alle elektrisch leitenden Schichten (17, 19, 20) gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert sind.
Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauteils, bei dem eine Ausnehmung (23) in einer Leiterplatte (14) erzeugt wird, die sich von einer zweiten Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) in Richtung einer der zweiten Oberfläche (24) gegenüberliegenden ersten Oberfläche (15) erstreckt, ohne die Leiterplatte (14) zu durchbrechen, bei dem ein eine Öffnung aufweisender Kühlmittelbehälter (25) so mit der zweiten Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) verbunden wird, dass die Öffnung durch die Leiterplatte (14) verschlossen ist, und bei dem eine Kühlflüssigkeit in den Kühlmittelbehälter (25) eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der Ausnehmung (23) eine elektrische leitende Schicht (19, 20) der Leiterplatte (14) geschnitten wird und dass innerhalb der Ausnehmung (23) eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht wird, so dass die Oberfläche der Ausnehmung (23) gegenüber den elektrisch leitenden Schichten (19, 20) elektrisch isoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Oberfläche (24) der Leiterplatte (14) eine diffusionsdichte Schutzschicht (28) aufgebracht wird, die wenigstens den Oberflächenbereich der Leiterplatte (14) bedeckt, der mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt.